Characterizing the chemical reactivity and biological activity of a catalytic metallodrug by mass spectrometry

Diese Masterarbeit untersucht die Charakterisierung eines Iridium(III)-Metallwirkstoffs (Ir1) hinsichtlich seiner chemischen Reaktivität und biologischen Aktivität in der kolorektalen Krebszelllinie SW480. Das Projekt wurde durch das zunehmende Interesse an Übergangsmetallkomplexen motiviert, die katalytische Reaktionen in Zellen ermöglichen. Zur Aufklärung des katalytischen Hydridtransfer-Mechanismus von Ir1 wurde eine Interaktionsstudie mit dem reaktiven Aldehyd 4-Hydroxynonenal (4-HNE) sowie verschiedenen Hydrid/Deuterid-Donoren durchgeführt. Mittels LC-MS/MS wurde zeitabhängig gezeigt, dass 4-HNE in Anwesenheit von Ir1 und Hydrid/Deuterid-Donoren über 20 Stunden verbraucht wurde, begleitet von der Bildung der entsprechenden Alkohole. Anschließend wurden Viabilitätsassays in SW480-Zellen zur Bestimmung der IC10–IC90-Werte durchgeführt. Nach 24-stündiger dosisabhängiger Ir1-Behandlung wurden Gesamtzelllysate generiert, proteolytisch verdaut und mittels Nano-LC-MS/MS auf einem timsTOF Pro analysiert. Die Proteomdaten zeigten eine klare dosisabhängige Antwort. Mittlere Konzentrationen (IC40– IC60) induzierten Proteine, die mit oxidativem Stress, mitochondrialer Umgestaltung und Zellzyklusregulation verknüpft sind. Höhere Konzentrationen (IC70–IC90) aktivierten vermehrt Apoptose bezogene Prozesse, einschließlich Bax-assoziierter Signalwege. Ir1 beeinflusste insbesondere drei zentrale biologische Prozesse: Stressantwort-Signalwege (NRF2- und Hitzeschockmechanismen), Apoptose sowie metabolische Umprogrammierung (Glykolyse, Pentosephosphatweg, Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsel). Diese Veränderungen deuten auf die Transferhydrierungsfähigkeit von Ir1 hin. Da Ir1 als Reduktionsmittel wirkt, wurde ein antagonistischer Effekt mit Arsentrioxid (ATO), das reaktive Aldehyde erzeugt, erwartet. Viabilitätsassays bestätigten diesen Antagonismus mit einem Kombinationsindex von ca. 1.1. Die proteomische Analyse der Ir1+ATO-Kombination zeigte eine signifikante Hochregulierung von 306 Proteinen im Vergleich zu den Einzelbehandlungen. Funktionelle Annotation ordnete diese Proteine der Ungefaltete-Protein-Antwort, Hitzeschockmechanismen und apoptotischen Prozessen zu. Die Induktion oxidativen Stresses wurde mithilfe des DCFH-DA-Assays nach akuter Behandlung mit Ir1, ATO und ihrer Kombination untersucht. ATO erzeugte keine Peroxid basierten ROS, während Ir1 und die Kombination starke ROS-Signale lieferten. Zellfreie Experimente zeigten jedoch, dass diese Signale nicht auf zelluläre ROS zurückzuführen sind, sondern auf eine direkte chemische Reaktion zwischen Ir1 und dem DCFH-DA-Farbstoff, der offenbar als Hydriddonor fungiert. Der Anstieg der DCFH-Fluoreszenz stellt somit einen direkten Nachweis der katalytischen Aktivität von Ir1 in SW480-Zellen dar. Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern das Verständnis darüber, wie katalytische Metallwirkstoffe zelluläre Proteome und Stressnetzwerke beeinflussen können.